工業(yè)測溫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超越預(yù)測維護(hù)的階段，成為一種主要的傳感技術(shù)。此類的過程工業(yè)應(yīng)用包括玻璃制品和塑料包裝薄膜的生產(chǎn)。
隨著可預(yù)測設(shè)備維護(hù)的紅外熱象應(yīng)用日趨白熱化，工廠工程師們越來越清楚，關(guān)鍵傳感器的優(yōu)越性能可以保證控制系統(tǒng)在我們的掌控之中。
紅外熱成像技術(shù)或者熱成像技術(shù)，通過監(jiān)測物體發(fā)射的紅外線來繪制此物體的表面溫度圖譜。一臺(tái)紅外熱像儀將不同的溫度對應(yīng)不同的顏色，使肉眼能夠識別非常狹窄的溫度區(qū)間。所有的熱像儀在其圖像中都使用“偽色彩”，因?yàn)閷?shí)際的色彩都位于紅外區(qū)間，而這一區(qū)間內(nèi)的顏色肉眼是無法識別的。更重要的是，此類設(shè)備還具有分析圖像并從圖像中提取精確的控制信息的能力。
熱成像技術(shù)的發(fā)展趨勢
歷史上，熱成像技術(shù)的發(fā)展是依靠將自身適應(yīng)于新的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而鞏固其地位，然后再擴(kuò)展到其他應(yīng)用領(lǐng)域。它最早的工業(yè)應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，用于電子元器件裝配的失效分析。工程師分析那些沒有通過電氣檢查的電路板的熱像圖，希望對設(shè)計(jì)或者工藝過程進(jìn)行修改，進(jìn)而改進(jìn)生產(chǎn)。
圖1： 加熱器的熱像圖顯示了溫度的變化，藍(lán)色區(qū)域是最熱處，而紅色區(qū)域是最冷處
一些設(shè)計(jì)人員也使用熱成像技術(shù)來分析原型板上的熱流。在沒有計(jì)算機(jī)熱流仿真的情況下（計(jì)算機(jī)熱流仿真將在之后討論），熱成像技術(shù)為電子裝配中的熱源控制提供了最快且最廉價(jià)的工具。
到20世紀(jì)90年代，設(shè)備工程師開始開發(fā)可預(yù)測性維護(hù)程序，與常規(guī)溫度檢測結(jié)合。他們定期收集一些設(shè)備的溫度參數(shù)，例如電動(dòng)馬達(dá)、變速齒輪、變壓器和其他功率設(shè)備。初始機(jī)械裝置失效，例如軸承磨損、絕緣擊穿和接觸腐蝕都會(huì)產(chǎn)生過熱或過冷點(diǎn)，盡早發(fā)現(xiàn)這些問題可以避免重大故障的發(fā)生。
我們正處在這樣一個(gè)階段，工藝工程師正在采用測溫技術(shù)來幫助控制生產(chǎn)過程。如果知道了關(guān)鍵點(diǎn)溫度在時(shí)間和空間上的變化，工程師就可以調(diào)整自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)定值和參數(shù)，以改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量和提高產(chǎn)量。
例如，塑料包裝薄膜是通過連續(xù)的擠壓過程生產(chǎn)的。聚合材料被加溫到熔點(diǎn)以上，以液體形式進(jìn)入擠壓機(jī)，此時(shí)聚合材料的粘性介于糖和水之間，材料越熱，粘性越低。
許多管子用來供料，材料經(jīng)過壓模機(jī)，每分鐘壓出120到140英尺的片料。承料網(wǎng)上有一定應(yīng)力，當(dāng)片料經(jīng)過一個(gè)叫做壓模機(jī)的冷卻滾輪時(shí)，每分鐘將被拉伸到1000到2000英尺，此工藝會(huì)將片料冷卻，凝固，確定尺寸。
當(dāng)然，在給定拉伸力的情況下，材料的粘性會(huì)影響它的拉伸量。溫度更高、粘性更低的材料會(huì)比溫度低、粘性大的材料拉伸的更大、更薄。
這些寬度超過400英寸，厚度只有幾分之一英寸的片料，由承料網(wǎng)上的多個(gè)區(qū)域組成，每個(gè)區(qū)域有一根供料管。片料的最終形狀由供料管的熔化溫度決定。如果供料管的溫度太低，就會(huì)導(dǎo)致材料的粘性過高，不能被充分拉伸，最終這部分材料的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)損壞承料網(wǎng)。
紅外熱像技術(shù)和紅外線成像技術(shù)的競爭
雖然都是檢測物體在常溫下放射出的紅外線熱輻射，進(jìn)而將其形成圖像，紅外熱像儀和紅外線照相機(jī)卻是兩種十分不同的方法。主要的區(qū)別在于將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電信號輸出的傳感元件。
只要不是絕對零度，任何物體都會(huì)發(fā)射出電磁輻射。光譜強(qiáng)度（這個(gè)強(qiáng)度是頻率或者波長的函數(shù)）具有特征形狀，在0頻率處為0，然后快速達(dá)到峰值，在頻率無窮大處又漸近于0。隨著物體溫度的上升，這個(gè)強(qiáng)度峰值向高頻率（短波長）處移動(dòng)。
對于低溫物體（幾十開爾文）峰值出現(xiàn)在無線電和微波頻率范圍內(nèi)；常溫物體（幾百開爾文）峰值出現(xiàn)在紅外線光譜區(qū)域，高溫物體（幾千開爾文或者更高）峰值出現(xiàn)在可見光譜區(qū)域內(nèi)。
紅外線成像儀使用區(qū)域掃描技術(shù)，同時(shí)收集圖像的所有部分的紅外線輻射；
而紅外熱像儀使用一面移動(dòng)鏡頭，以每次一個(gè)像素的速度移動(dòng)。順序掃描
系統(tǒng)中，被測物的移動(dòng)產(chǎn)生垂直解析度。
熱輻射的峰值頻率隨著溫度的升高而平穩(wěn)增加，從黃色到藍(lán)色，再到紫外區(qū)以及自外之后的區(qū)域。人類將藍(lán)色與冷、紅色與熱聯(lián)系起來，這是因?yàn)槿祟愡M(jìn)化進(jìn)程中的一件事：我們的祖先遇到的最冷的物體就是水和冰，而它們是藍(lán)色的，因?yàn)榉瓷淞怂{(lán)天的顏色；遇到的最熱的物體就是野火，是紅色或者黃色的。天文學(xué)家遇到的物體（星體）的溫度從幾千開爾文到上百萬開爾文，他們將紅色和冷、藍(lán)色和熱相聯(lián)系。
熱像儀和紅外線照相機(jī)所感應(yīng)到的紅外線的波長是人眼無法感知的，所以儀器將不同的顏色分配給不同的波長，這就產(chǎn)生了我們所謂的“偽彩色圖像”。
由圖所示，一臺(tái)紅外線照相機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)區(qū)域掃描的帶有電荷耦合攝像頭的照相機(jī)，它在前端帶有紅外線濾鏡。硅CCD元件對光譜的紅外線部分和可見光部分都有強(qiáng)烈的反應(yīng)，所以專門用于可見光的CCD攝像頭必須濾除紅外光以獲得優(yōu)質(zhì)的照片。
CCD攝像頭通過將射入光量子的能量轉(zhuǎn)換成自由電子，進(jìn)而對入射光產(chǎn)生反應(yīng)。每入射一個(gè)光量子，就產(chǎn)生一定數(shù)量的自由電子，一塊電路板負(fù)責(zé)收集這些自由電子，上述就是“CCD”這個(gè)名字的含義。因此，紅外線成像儀直接對每個(gè)像素的光量子流量做出反應(yīng)。攝像頭的解析度也取決于像素點(diǎn)的大小。
而熱像儀使用一種叫做“熱輻射測量儀”的設(shè)備作為傳感元件。熱輻射測量儀將射入的輻射轉(zhuǎn)換成熱，這些熱量增加了傳感元件的溫度，然后測量這個(gè)溫升，這樣就可以更直接地反映物體的溫度。
要生成一幅熱像，熱像儀開始于用紅外光形成一幅圖像，一個(gè)動(dòng)靜系統(tǒng)越過熱輻射測量儀掃描這個(gè)圖像，此時(shí)的輸出電信號具有光柵掃描視頻輸出的特點(diǎn)。最后，一個(gè)波形獲取電路（有一個(gè)采樣-保持設(shè)備和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成）提供數(shù)字輸出。熱像儀的解析度取決于熱輻射測量儀的維度和采樣速率。
“圖像順序掃描”這個(gè)詞暗示了成像儀只關(guān)注一條線上的像素。第二個(gè)維度需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)二維圖像，可以通過在成像儀的視野中移動(dòng)物體來實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)的方向垂直于掃描線。
紅外熱像儀和紅外線成像儀的本質(zhì)區(qū)別在于：紅外熱像儀繪制的圖像是一個(gè)位置的函數(shù)，而紅外線成像儀繪制的是紅外線的密度圖。紅外線成像儀的相應(yīng)速度很快，而紅外線熱像儀的掃描率受到熱輻射測量儀相應(yīng)速度的限制。
因此，主要的過程控制就是對供料管中的熔化的聚合物的溫度進(jìn)行控制。在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，加熱器可以以閉環(huán)的方式控制熔化溫度。因?yàn)槿刍木酆喜牧显诠┝瞎苤辛鲃?dòng)的很快，所以供料管的管壁和內(nèi)部聚合物的材料溫度會(huì)有顯著差異。
重要的是控制物料溫度，而不是供料管的溫度，所以控制系統(tǒng)工程師將帶有熱電偶的探針插入供料管內(nèi)的流體中?？刂葡到y(tǒng)即使通過這種方法來保持流體溫度處于設(shè)定值，流體溫度也會(huì)不時(shí)地變動(dòng)。為了計(jì)算一定寬度內(nèi)溫度的變化，每根供料管都分別控制，所以整張承料網(wǎng)上的每根供料管（每個(gè)區(qū)域）的設(shè)定值都是不同的。
還存在一個(gè)問題：熔化物料在從供料管流向模具的過程中會(huì)損失一些熱量，從模具到壓模機(jī)的過程也是如此。從模具到壓模機(jī)的溫度變化是引起應(yīng)力的關(guān)鍵因素。當(dāng)然，整個(gè)承料網(wǎng)上的熱損失率是不同的，中間處是最低的，邊緣處較高。如果沒有閉環(huán)控制，片料邊緣就會(huì)冷卻，變得粘稠，而片料中間仍舊很熱，呈液態(tài)。
可視化溫度識別
Optex Process Solutions公司的Andy Christie協(xié)助膠卷生產(chǎn)商處理這些問題，確保承料網(wǎng)工藝的優(yōu)化和受控。當(dāng)物料剛從模具中出來的時(shí)候，他就使用一臺(tái)熱像儀來監(jiān)控承料網(wǎng)上重要區(qū)域的溫度變化。
Raytek EC100型線掃描熱像儀，有一個(gè)掃描線那么高的視野，當(dāng)承料網(wǎng)通過視野的時(shí)候，就開始垂直掃描。這樣，熱像儀在承料網(wǎng)的移動(dòng)方向上，大約每秒鐘進(jìn)行30次掃描。承料網(wǎng)的速度除以掃描速率就決定了下一個(gè)平行測溫線的位置。
圖像采集器取得每條獨(dú)立的掃描線以后，直接傳送給手提電腦，電腦將掃描結(jié)果水平顯示。線上不同顏色的點(diǎn)代表承料網(wǎng)上相應(yīng)點(diǎn)的不同溫度。操作員可以調(diào)整溫度區(qū)間的寬度，以匹配重要點(diǎn)的溫度范圍。
Christie說：“假設(shè)目標(biāo)溫度是610°F，溫度的變化從595°F到620°F。我會(huì)將低溫595°F顯示為藍(lán)色，高溫620°F顯示為黃色，中間以光譜形式過渡?！?br/>
超過或低于這個(gè)溫度區(qū)間的溫度用白色或黑色表示。如果這個(gè)溫度區(qū)間是100-1,000 °F，Christie會(huì)擴(kuò)充顏色，來覆蓋整個(gè)區(qū)間。
隨著新的掃描點(diǎn)進(jìn)入電腦，上一個(gè)掃描線上移，空出屏幕的下部來顯示新掃描點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)繪出一副偽彩色圖，水平相當(dāng)于垂直于承料網(wǎng)的移動(dòng)方向，垂直相當(dāng)于沿著承料網(wǎng)移動(dòng)的方向。
例如，如果一個(gè)供料管加熱器的控制循環(huán)發(fā)生抖動(dòng)，與此管相應(yīng)的垂直線的顏色就會(huì)發(fā)生周期性的變化。同樣的，如果一根供料管持續(xù)地過熱，那么圖像上就會(huì)顯示出一根垂直的條紋，條紋的顏色對應(yīng)的是較高的溫度。
這個(gè)系統(tǒng)允許工藝工程師分別閉環(huán)控制每一個(gè)供料管的溫度，并調(diào)整其設(shè)定值。例如，如果發(fā)現(xiàn)承料網(wǎng)邊緣處的溫度由于熱量的過分流失而低于中間部分的溫度，工程師就可以調(diào)高邊緣供料管的設(shè)定值，使整張承料網(wǎng)的溫度統(tǒng)一。
圖2：熱成像圖被設(shè)備工程師用來監(jiān)測一些事故的苗頭。由
上圖可以判斷中間的電動(dòng)機(jī)的溫度要比其他電動(dòng)機(jī)高
Christie說：“你也可以同時(shí)打開多個(gè)窗口，我就經(jīng)常再打開一個(gè)用來顯示上次掃描的窗口?！眻D形顯示采用了定量數(shù)據(jù)和定性的偽彩色圖結(jié)合的方式，使熱像儀比紅外照相機(jī)的簡單定性圖像要實(shí)用的多。它可以提供實(shí)際的測量值，而后者只能進(jìn)行“那個(gè)區(qū)域比較熱”諸如此類的描述，雖然對維護(hù)程序有些作用但是對控制類應(yīng)用卻沒什么益處。
玻璃回火
承料網(wǎng)的過程控制并不是唯一使用熱像儀數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)過程控制的例子。例如玻璃回火，需要將一整塊玻璃片置于高于其軟化點(diǎn)的恒溫下，然后快速地淬火，引入內(nèi)部應(yīng)力。這種方法產(chǎn)生的應(yīng)力比普通玻璃高4-5倍，使玻璃在被打碎時(shí)變成小塊的立方體而不是大塊鋒利的碎片。
普通的玻璃可以被比作非常粘稠的液體，它粘度如此之高以至于在通常大小力的作用下的流動(dòng)是無法察覺的。然而，隨著溫度上升，玻璃的粘度下降。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（550-650 °F），如果有支撐措施，玻璃仍能很好地保持其形狀，但其內(nèi)部的原子已經(jīng)可以脫離內(nèi)部應(yīng)力的束縛自由移動(dòng)了。
鋼化玻璃淬火的工藝工程師Clifford Matukonis解釋道：“當(dāng)玻璃片在熔爐中被加熱之后，它就進(jìn)入風(fēng)冷爐?！睂τ谧詈玫目刂茰囟?，他將熔爐中的玻璃通過傳送帶運(yùn)送至風(fēng)冷爐中，速率為每分鐘1000-1500英寸。和承料網(wǎng)應(yīng)用中同樣模式的掃描儀，從上方向下監(jiān)測玻璃片，掃描線垂直于傳送帶運(yùn)送方向，掃描整個(gè)玻璃片上的平行條紋。
測量的不僅僅是溫度
也許會(huì)令人驚訝的是，紅外熱像儀還可以進(jìn)行溫度以外的測量。例如，一個(gè)沒有充滿的儲(chǔ)罐的外部溫度通常會(huì)顯示儲(chǔ)罐內(nèi)的液位。在傳統(tǒng)的液位傳感器無法作用的某些液位維持場合，紅外熱像儀就可以起到作用。一臺(tái)熱像儀可以顯示出一個(gè)充油高壓絕緣隔離器的油高低于警戒值，這時(shí)圖像分析軟件就可以輕松地發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，并打開一個(gè)泵，對低壓的一邊充油。下一幅圖顯示的是在造紙網(wǎng)上的濕度不一致引起的溫度變化。高濕度加快了蒸發(fā)。因?yàn)檎舭l(fā)是一個(gè)吸熱過程，所以濕度高的地方偏冷，這種定義完美的效應(yīng)通過熱像儀的溫度數(shù)據(jù)，就可以得到量化的濕度值。
圖3：熱像圖可用來測量一些非熱參數(shù)，例如高壓絕緣體的油位
圖4：熱像圖顯示了紙張的相對濕度
風(fēng)冷爐是一個(gè)有很多洞的平板，冷風(fēng)從洞向上吹到玻璃片上，冷風(fēng)迅速使玻璃“解凍”，使玻璃鎖定在一個(gè)均衡的應(yīng)變場中，這個(gè)應(yīng)變場由退火溫度和退火率決定，這個(gè)均衡的應(yīng)力場促成了鋼化玻璃的特性。
Matukonis說：“我們通常把掃描儀置于熔爐和風(fēng)冷爐之間，在那一點(diǎn)上，我們可以找出整張玻璃片的溫度變化梯度?！?br/>
鋼化玻璃的工藝控制是通過熔爐內(nèi)一系列安裝在傳送帶上方的輻射加熱元件實(shí)現(xiàn)的。每一個(gè)加熱元件都有一個(gè)使用熱電偶作為傳感器的比例控制器。整個(gè)工藝控制是通過基于PC機(jī)的系統(tǒng)來完成的，而系統(tǒng)通過Profibus與比例控制器通訊。
加熱元件的設(shè)定值在600-700 ℃區(qū)間變化，改變每一個(gè)加熱元件的溫度，就可以校正整塊玻璃的溫度一致性，而這塊玻璃最終溫度是由它在熔爐中的時(shí)間決定的（這個(gè)時(shí)間由傳送帶的速度決定）。如果傳送帶的速度較慢，則玻璃在爐中的時(shí)間較長，所以玻璃就可以達(dá)到較高的最終溫度。
與Christie的膠片積壓成型應(yīng)用一樣，熱像儀使Matukonis能夠監(jiān)測熔爐和風(fēng)冷爐中間的溫度，此處的溫度是最關(guān)鍵的。目前，只有熱像儀可以將溫度數(shù)據(jù)的的時(shí)間域變化轉(zhuǎn)換成空間表達(dá)方式采集進(jìn)來。而且，和承料網(wǎng)的應(yīng)用一樣，由于既可以知道片料的最終溫度，又可以知道片料上的溫度變化梯度，這使得Matukonis可以調(diào)整加熱器的設(shè)定值，是控制系統(tǒng)流暢運(yùn)作。
從輔助變成主要
控制工程師已經(jīng)注意到了熱像儀能夠優(yōu)化控制環(huán)路設(shè)定值的特點(diǎn)，那么下一步就是把人從這個(gè)控制環(huán)路中去除。他們將開發(fā)一種算法，使過程控制能夠自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)增加控制的級數(shù)，使自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)具備更高的魯棒性。
工廠中把熱像儀作為一種獲得定量信息的主要傳感器，它可以幫助工程師調(diào)整過程控制，未來的系統(tǒng)會(huì)給熱像儀配備可編程自動(dòng)控制器（PACs），用于計(jì)算適宜的設(shè)定值，傳給每個(gè)過程控制的PID控制器。這些熱像儀用來收集空間域和時(shí)間域的溫度數(shù)據(jù)，而PACs用于分析這些數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化成更加直接的過程參數(shù)，例如坡度、液位和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。這種系統(tǒng)會(huì)優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過程，最佳化質(zhì)量和產(chǎn)量。(en
